Адгезія. Когезія. Змочування та розтікання рідини

Поняття когезії та адгезії. Змочування та розтікання. Робота адгезії та когезії. Рівняння Дюпре. Крайовий кут змочування. Закон Юнг. Гідрофобні та гідрофільні поверхні

У гетерогенних системах розрізняють міжмолекулярну взаємодію всередині фаз та між ними.

Когезія- тяжіння атомів і молекул всередині окремої фази. Вона визначає існування речовини в конденсованому стані і може бути зумовлена ​​міжмолекулярними та міжатомними силами. Поняттяадгезії,змочуваннятарозтіканнявідносяться до міжфазних взаємодій.

Адгезіязабезпечує між двома тілами з'єднання певної міцності завдяки фізичним та хімічним міжмолекулярними силами. Розглянемо показники когезійного процесу. Роботакогезіївизначається витратою енергії на оборотний процес розриву тіла за перерізом рівної одиниці площі:Wk=2, де>Wk- робота когезії; - поверхневий натяг

Так як при розриві утворюється поверхня в дві паралельні площі, то в рівнянні з'являється коефіцієнт 2. Когезія відображає міжмолекулярну взаємодію всередині гомогенної фази, то її можна охарактеризувати такими параметрами як енергія кристалічної решітки, внутрішній тиск, леткість, температура кипіння, адгезія результат зменшенню поверхневої енергії. p align="justify"> Робота адгезії характеризується роботою оборотного розриву адгезійного зв'язку, віднесеної до одиниці площі. Вона вимірюється у тих самих одиницях, як і поверхневе натяг. Повна робота адгезії, що припадає на всю площу контакту тел:Ws=WaS

Таким чином,адгезія- робота з розриву адсорбційних сил з утворенням новоїповерхні в 1м2.

Щоб отримати співвідношення між роботою адгезії та поверхневим натягом взаємодіючих компонентів, уявімо дві конденсовані фази 2 і 3, що мають поверхню на кордоні з повітрям 1, рівну одиниці площі (рис. 2.4.1.1).

Вважатимемо, що фази взаємно нерозчинні. При поєднанні цих поверхонь, тобто. при нанесенні однієї речовини в інше відбувається явище адгезії, т.к. система стала двофазною, то з'являється міжфазний натяг 23. В результаті початкова енергія Гіббса системи знижується на величину, що дорівнює роботі адгезії:

G+Wa=0,Wa= -

G.

Зміна енергії Гіббса системи в процесі адгезії:

;

.

- Рівняння Дюпре.

Воно відбиває закон збереження енергії при адгезії. З нього випливає, що робота адгезії тим більша, чим більші поверхневі натяги вихідних компонентів і чим менше кінцеве міжфазне натяг.

Міжфазний натяг дорівнює 0, коли зникне міжфазна поверхня, що відбувається при повному розчиненні фаз

Враховуючи, щоWk=2, і помножуючи праву частину на дріб

, отримаємо:

Таким чином, умова розчинення полягає в тому, що робота адгезії між взаємодіючими тілами повинна дорівнювати або більше середнього значення суми робіт когезії. Від роботи когезії треба відрізняти адгезійну міцністьWп.

Wп–робота, витрачена на руйнування адгезійної сполуки. Ця величина відрізняється тим, що до неї входить як робота розриву міжмолекулярних зв'язківWa, так і робота, витрачена на деформацію компонентів адгезійної сполукиWдеф:

Чим міцніше адгезійне з'єднання, тим більшої деформації будуть піддаватися компоненти системи у його руйнації. Робота деформації може перевищувати оборотну роботу адгезії у кілька разів.

Змочування -поверхневе явище, що полягає у взаємодії рідкого з твердим або іншим рідким тілом за наявності одночасного контакту трьох фаз, які не змішуються, одна з яких зазвичай є газом.

Ступінь змочуваності характеризується безрозмірною величиною косинуса крайового кута змочування або просто крайового кута. За наявності краплі рідини на поверхні рідкої чи твердої фази спостерігаються два процеси за умови, що фази взаємно нерозчинні.

Рідина залишається на поверхні іншої фази як краплі.

Крапля розтікається поверхнею.

На рис. 2.4.1.2 показано краплю на поверхні твердого тіла в умовах рівноваги.

Поверхнева енергія твердого тіла, прагнучи зменшення, розтягує краплю по поверхні і дорівнює 31. Міжфазна енергія межі тверде тіло - рідина прагне стиснути краплю, тобто. поверхнева енергія зменшується рахунок зменшення площі поверхні. Розтіканню перешкоджають когезійні сили, що діють усередині краплі. Дія когезійних сил спрямована від межі між рідкою, твердою та газоподібною фазами по дотичній до сферичної поверхні краплі і дорівнює 21. Кут  (тетта), утворений дотичною до міжфазних поверхонь, що обмежує змочуючу рідину, має вершину на межі розділу трьох фаз і називаєтьсякрайовим кутом змочуваності. При рівновазі встановлюється наступне співвідношення

-закон Юнга.

Звідси випливає кількісна характеристика змочування як косинус крайового кута змочування

. Чим менший крайовий кутзмочування і, відповідно, чим більше cos , тим краще змочування.

Якщо cos  > 0, то поверхня добре змочується цією рідиною, якщо cos 0 ). З точки зору змочуваності розрізняють гідрофільні та гідрофобні поверхні.

Якщо 090, то поверхня гідрофобна. Зручна для розрахунку величини роботи адгезії формула виходить у результаті поєднання формули Дюпре та закону Юнга:

;

;

-рівняння Дюпре-Юнга.

З цього рівняння видно різниця між явищами адгезії та змочуваності. Розділивши обидві частини на 2, отримаємо

.

Так як змочування кількісно характеризується cos , то відповідно до рівняння воно визначається ставленням роботи адгезії до роботи когезії для рідини, що змочує. Відмінність між адгезією та змочуванням у тому, що змочування має місце за наявності контакту трьох фаз. З останнього рівняння можна зробити такі висновки:

---